龙岩烟区土壤因子与烟叶内在品质的关系及其评估模型的构建

柯丽华，赵羡波，胡钰萍，兰立娟，张 星，董桂全，刘招香，董桂郯，卢彬荣*

（1.龙岩市烟草公司 长汀分公司，福建 龙岩 366399；2.福建中烟工业有限责任公司，福建 厦门 361021）

0 引言

优质烟叶原料是卷烟工业赖以生存和发展的基础，烟叶的风格特色决定了卷烟配方的开发及应用。烟叶风格具象化体现为烟叶中总氮、总植物碱、总糖、还原糖、氯、钾等化学成分的含量及配比情况，上述量化指标也是烟草工业企业评价烟叶风格的重要依据［1-3］。

由于卷烟产品的风格定位不同，不同工业企业对烟叶原料的风格需求也有所差异，进而对烟叶化学成分的要求也存在不同。同时，随着烟草行业的高质量发展及高端卷烟开发逐步加速，企业对高端原料烟叶品质的要求更高，风格需求更为明确。为达到针对高端卷烟原料烟叶的需求，部分工业企业建设了以乡镇级为单位的定制化原料生产区域（如福建中烟在永定烟区选定了2个乡镇作为高端卷烟原料的定制化开发区域），以期达到烟叶风格特色更加凸显、质量水平和稳定性更高、高端卷烟配方中匹配性更强的目标。

烟叶风格是特色品种、生态因素及栽培管理、烘烤技术综合作用的结果［4-6］。其中，生态因素是影响烟叶风格特色形成的核心。作为矿物营养的主要来源，产区土壤化学成分构成及其对应的测土配方施肥是烟叶风格构成的主要调控方式［7-11］。已有研究表明，烟叶化学成分与土壤的理化性状、土壤养分状况之间具有密切的关联。陈丽燕等［12］采用相关分析和逐步回归分析法分析了环秦岭区域植烟土壤养分与烟叶化学成分的相关性，结果表明土壤有机质与烟叶总糖呈显著正相关，速效磷含量与烟叶钾含量呈显著正相关；杜倩等［13］通过描述性统计和相关分析，对凉山烟区土壤养分和烟叶化学品质之间的关系进行了研究，结果表明烟叶还原糖含量与碱解氮含量呈显著负相关，烟叶钾含量与土壤pH值呈显著负相关，土壤有效磷含量和烟叶总糖、氯含量呈显著负相关，和烟叶钾含量、钾氯比呈显著正相关。上述研究阐明了土壤因子与烟叶化学成分之间的关系，但多以省级或地市级烟区为分析尺度进行探讨，尚缺少乡镇级的小尺度研究视角，也未提供土壤因子作为输入的烟叶化学成分拟合模型的构建方法。这些不足可能会影响工业高端卷烟原料生产区域技术方案制定及调整的科学性、有效性，不利于高端原料烟叶的生产。

基于此，本研究以福建省龙岩市71个植烟乡镇土壤的化学性质及对应地块的烤后烟叶作为研究对象，通过聚类分析和方差分析，对全市土壤进行更为精细化的区划，进一步阐明了龙岩市不同乡（镇）间植烟土壤化学性质与烟叶主要化学成分之间的关系，并在此基础上运用相关性分析、逐步回归分析法构建了基于不同土壤条件的烟叶内在化学品质评价模型，以期为乡镇级基地单元划分及建设提供理论依据，从而更好地满足卷烟工业企业对高端原料的需求，推动龙岩市烟叶产业的高质量发展。

1 材料与方法

1.1 试验概况

本试验于2017年在福建省龙岩市永定、上杭、武平、长汀、连城、漳平等6个县级烟叶产区下辖的71个植烟乡（镇）开展，试验烟田土壤为水稻土，前茬作物为水稻，田块肥力中等均匀，排水方便，烤烟品种为当地的主栽品种云烟87。烤烟生产、烘烤措施均严格参照《龙岩市优质烤烟生产技术标准体系》(Q/LYYC 122—2010)执行。

1.2 样品采集与测定

1.2.1 土壤样品 在71个植烟乡（镇）选择代表性烟田，采用5点取样法，按照随机、等量和多点混合的原则采集深度为0~20 cm耕层的土壤样品共71份。土壤样品经登记编号后，风干、磨细、过筛、混匀、装袋后备用。土壤样品测定项目包括：pH值、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾。pH值的测定采用水浸提电位法（水土比为2.5∶1.0）［14］；有机质含量的测定采用重铬酸钾滴定法［15］；碱解氮含量的测定采用碱解扩散法［16］；有效磷含量的测定采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法［17］；速效钾含量的测定采用醋酸铵浸提—火焰光度法［18］。

1.2.2 烟叶样品 于当年烟叶出烤后，采用随机抽样法，采集对应烟田的C3F、B2F、X2F等3个等级烟叶样品各1套作为分析样品，最终共采集213份样品。烟叶水分要求在16%~17%之间，烟叶样品经登记编号后进行捆扎、包装、装箱后备用。烟叶样品测定项目包括总氮、总烟碱、总糖、还原糖、总氯、总钾等常规化学成分，测定方法均参照中华人民共和国烟草行业标准规定的方法测定［19］。

1.3 烟叶化学成分预测模型构建

1.3.1 聚类分析与方差分析 将2017年龙岩市71个植烟乡（镇）数据作为分析对象，利用SPSS软件的系统聚类法对土壤因子进行分类，并采用方差分析法对不同土壤类型的烟叶化学成分进行多重比较。

1.3.2 相关分析 对土壤因子与烟叶化学成分进行皮尔森(Person)相关分析，显著性检验采用双尾检验。

1.3.3 回归模型构建 以71个植烟乡（镇）的土壤pH值、主要养分含量为自变量，以对应所产烟叶的化学成分为因变量，借助SPSS 22.0软件建立基于最小二乘法的逐步回归线性模型。

1.3.4 模型验证 将71个植烟乡（镇）土壤数据输入回归模型中，计算烟叶化学成分含量及模型预测的准确度(Acc)，计算公式为：

式中：N为模型预测值，M为化学成分实测值。

2 结果与分析

2.1 不同植烟乡（镇）土壤养分状况聚类分析

对全市71个植烟乡（镇）土壤的pH值和主要养分含量进行聚类分析（图1），在聚类距离为20时可将71个乡镇分为3种不同类型的土壤养分区域（表1）。对3类土壤养分区域pH值和主要养分含量的分析结果表明（表2），Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类土壤pH值的一般范围分别为5.5~5.66、5.72~6.11、5.53~5.72，较适宜烤烟的生长，pH值的平均值大小次序为：Ⅱ类＞Ⅲ类＞Ⅰ类，Ⅱ类土壤的pH值与Ⅰ类、Ⅲ类间差异达到了显著水平；3类土壤有机质含量一般范围分别为20.33~28.06、20.35~26.41、31.04~37.41 g/kg，土壤有机质含量均较为丰富，大部分土壤处于烤烟适宜有机质含量范围（15~35 g/kg），有机质平均含量的表现为：Ⅲ类＞Ⅱ类＞Ⅰ类，Ⅲ类土壤的有机质含量与Ⅰ、Ⅱ类间的差异均达到显著水平；3类土壤碱解氮含量的一般范围分别为79.63~91.36、90.40~112.02、94.08~112.90 mg/kg，碱解氮平均含量表现为：Ⅲ类＞Ⅱ类＞Ⅰ类，Ⅱ、Ⅲ类土壤碱解氮含量与Ⅰ类的差异均达到显著水平；3类土壤有效磷含量一般范围分别为45.76~50.56、27.99~37.38、29.81~33.65 mg/kg，有效磷含量总体丰富，有效磷平均含量表现为：Ⅰ类＞Ⅱ类＞Ⅲ类，Ⅰ类土壤有效磷含量与Ⅱ、Ⅲ类间的差异均达到显著水平；3类土壤速效钾含量一般范围分别为80.28~121.9、94.02~141.99、53.6~89.07 mg/kg，速效钾平均含量表现为：Ⅱ类＞Ⅰ类＞Ⅲ类，3类土壤间的差异均达到了显著水平。

图1 龙岩市不同乡（镇）土壤因子的聚类树

2.2 不同类型土壤养分区域烟叶化学成分比较

对3类不同类型土壤养分区域所产烟叶的总氮、总植物碱、总糖、还原糖、氯、钾等主要化学成分含量进行方差分析。由表3可知，不同类型土壤的烟叶总糖、氯、钾含量具有显著差异，总氮、总植物碱、还原糖没有显著差异；在总糖含量方面为：Ⅲ类＞Ⅰ类＞Ⅱ类，其中Ⅲ类的总糖含量较Ⅰ类、Ⅱ类分别提高1.03、2.07个百分点；Ⅰ、Ⅱ类的氯含量大于Ⅲ类的，高出0.07个百分点；钾含量方面，Ⅰ类的钾含量较Ⅱ、Ⅲ类分别高出0.07、0.18个百分点。综上，不同类型土壤养分区域对烟叶的总糖、氯、钾含量均存在影响。

表3 不同类型土壤养分区域的烟叶化学成分比较 %

2.3 烟叶化学成分与土壤因子的相关性

对受到显著影响的烟叶化学成分与土壤养分进行相关性分析。由表4可知，土壤的pH值、有效磷含量与烟叶总糖、氯、钾含量之间的相关性不大；土壤有机质含量与烟叶的氯、钾含量呈显著负相关；土壤碱解氮含量与烟叶钾含量呈显著正相关；土壤速效钾含量与烟叶总糖、氯、钾含量之间的相关性较强，且与总糖含量呈极显著正相关，与氯、钾含量呈极显著负相关。综上，土壤有机质、碱解氮和速效钾含量在一定程度上会影响烟叶总糖、氯、钾含量。

表4 土壤养分与烟叶化学成分的相关性

2.4 烟叶化学成分预测模型构建与准确度分析

采用逐步回归法将烟叶总糖、氯、钾含量与土壤pH值、主要养分指标构建烟叶化学成分与土壤因子的回归模型。由表5可知，烟叶总糖、氯、钾含量预测模型的回归显著性均达到了极显著水平，说明建立的回归模型有效；从回归方程中可以看出，烟叶总糖、氯、钾含量预测模型的自变量均为土壤有机质，说明土壤有机质是影响龙岩烟叶内在化学品质的主要土壤因子。应用3个模型分别对全市烟叶总糖、氯、钾含量进行预测并计算模型准确度，结果表明：烟叶总糖、氯、钾含量回归模型的平均准确度分别达到了89.04%、68.90%、86.58%。

表5 烟叶各化学成分含量的预测模型

3 讨论

土壤因子为烟草的生长发育提供了基本的环境条件，烟草需要从土壤中吸收足够的养分才能顺利生长，并形成丰富的内含物质［20-21］。许自成等［22-24］研究表明，土壤因子在很大程度上会影响烟叶内在化学成分的变化及其协调性，并最终决定烟叶及其卷烟制品的风格特征。本研究以乡（镇）为单位，开展了烟叶化学成分与植烟土壤因子的相关性分析研究，构建了基于不同土壤条件的烟叶内在化学品质评价模型，有助于满足不同企业对烟叶风格质量的不同需求，助力于企业在特定小区内开展卷烟高端原料的定制化开发。

本研究通过系统聚类分析将龙岩市下辖的71个乡（镇）划分为3种不同类型的土壤养分区域，通过比较3类土壤养分区域的pH值和主要养分可知，不同类型土壤因子之间存在显著差异，3类植烟土壤pH值都比较适宜烤烟的生长，碱解氮含量处于适中水平，Ⅰ类土壤碱解氮含量较其他2类偏低，有机质、有效磷含量都较为丰富，以Ⅲ类土壤的有机质含量最为丰富，Ⅰ类土壤有效磷含量最丰富，Ⅲ类土壤速效钾含量偏低。因此，在生产中可以根据不同类型土壤养分区域的养分情况调整施肥措施，从而更好地提升烟叶品质。通过比较不同类型土壤养分区域的烟叶化学成分发现，不同类型植烟土壤间的烟叶总糖、氯、钾含量存在显著差异。在进一步对土壤因子与烟叶总糖、氯、钾含量进行相关性分析发现，土壤有机质、碱解氮和速效钾含量与烟叶总糖、氯、钾含量间存在显著相关性，这表明土壤因子在一定程度上影响了烟叶内在化学成分的含量。基于土壤养分指标与烟叶化学成分间显著相关，采用逐步回归法构建烟叶总糖、氯、钾含量的土壤因子预测模型，从模型方程表达式来看，土壤有机质是影响烟叶总糖、氯、钾含量的主要因子。模型预测准确度结果表明，烟叶总糖、钾含量预测模型的拟合效果更优。

4 结论

土壤有机质、碱解氮和速效钾是影响龙岩市各植烟乡镇烟叶化学成分的主要土壤养分指标，土壤有机质是烟叶总糖、氯、钾含量预测模型的主要自变量，且与烟叶总糖、钾含量间构建的模型拟合效果更优。因此，在乡（镇）级基地单元建设中，可以把不同类型土壤养分区域作为其划分依据，并根据不同类型养分区域的土壤条件制定和调整科学有效的施肥管理措施。